24.11.2011

Mobilfunkstation produziert Strom

Im westfälischen Versmold haben E-Plus und Nokia Siemens Networks gemeinsam ein Energiekonzept für eine Mobilfunkbasisstation realisiert.

Die neue Station nimmt erstens wesentlich weniger Strom beim Senden auf und stellt zweitens die benötigte Energie vor Ort selber her.

Das trägt erheblich dazu bei, Energieverbrauch und Kosten zu reduzieren, wie Christoph Müller, Energy Solution Architect von Nokia Siemens Networks, in einem Interview gegenüber Energie & Technik erklärt.

Energie & Technik: Was war der Anstoß für die Entwicklung der energieautarken Basisstation?

Christoph Müller: Telekommunikationsnetze haben einen enormen Energiebedarf. 86 Prozent ihrer Energiekosten bringen Mobilfunkanbieter alleine für das Funknetz auf. Hinzu kommt, dass in entwickelten Märkten zehn bis fünfzehn Prozent der Betriebskosten auf die vom Netz benötigte Energie entfallen. Also ein enormes Potenzial um Kosten und CO2 Emissionen einzusparen.

Wie funktioniert das Energiekonzept?

Die Mobilfunkstation produziert den benötigten Strom vor Ort eigenständig durch PV, Windkraft und Brennstoffzellen. Ein externer Stromanschluss ist daher nicht notwendig. Das Herzstück der Stromversorgung bildet der Green Energy Controller, der die drei Energiequellen steuert und außerdem eine Fernwartung des Standortes ermöglicht.

Welchen Wirkungsgrad haben die einzelnen Komponenten?

Windenergie wird durch eine Windturbine mit vertikaler Achse auf der Spitze des Antennenmastes gewonnen. Die Turbine mit einer Nennleistung von 10 kW bei Windgeschwindigkeiten ab 12 m/s hat für eine Turbine dieser Größe mit 2,5 m/s eine sehr geringe Anlaufgeschwindigkeit. Darüber hinaus ist die Turbine mit ca. 60 dB (A) aus 20 m Entfernung sehr leise. Das ergibt sich aus der Gestaltung der Rotorblätter in Kombination mit einem Windrichtungsgeber, der den Winkel der Rotorblätter bei jeder Drehung anpasst.
45 Solarmodule sind am Fuße der Sendestation auf 57,5 qm angebracht. Jedes Modul mit einer Leistung von 195 Wp hat einen Wirkungsgrad von 15,3 Prozent. Ein Solar Tracking System mit zwei Achsen richtet die Module automatisch nach dem Sonnenverlauf aus und erzielt so eine höhere Effizienz im Vergleich zu einem statischen Konzept.
Im Falle einer Unterversorgung durch Wind und Sonne kommt eine Wasserstoff-Brennstoffzelle zum Einsatz. Dafür stehen zwei Stacks mit einer Ausgangsnennleistung von je 2 kW als Redundanz bereit. Der Standort kann damit ca. fünf Tage durchgehend ohne Solar- und Windenergie betrieben werden.

Die Basisstation ist seit April 2011 in Betrieb. Welche Erfahrungswerte haben Sie inzwischen sammeln können?

Die einzelnen Energiebausteine tragen je nach Jahreszeit unterschiedlich viel zur Energieversorgung bei. Bisherigen Messergebnissen zufolge wurde in den ersten Monaten durch die Sonne mehr Energie produziert als erwartet. Die Analyse ergab auch, dass in diesen Monaten die tatsächliche Windgeschwindigkeit und damit der Beitrag der Windenergie unter den vorab berechneten Werten lagen.

Wie steuern und warten Sie die Basisstation?

Das Gehirn der Steuerung ist der von Nokia Siemens Networks entwickelte Green Energy Controller. Die einzelnen Komponenten sind durch intelligente Algorithmen verknüpft, was die Kommunikation per GPRS-Übertragung ermöglicht. Das integrierte NetAct-Managementsystem fasst die gesammelten Energiedaten mit anderen spezifischen Daten und Alarmen der Basisstation für ein Fehler- und Leistungsmanagement zusammen.
Der Controller steuert ferner den Ladevorgang und überwacht den Ladezustand der Akkus. Falls nicht genügend Solar- oder Windenergie vorhanden ist und der Ladezustand der Akkus unter einen konfigurierten Wert fällt, startet der Controller den Betrieb der Brennstoffzelle und stellt die ausreichende Stromversorgung der Basisstation sicher.
Außerdem überprüft der Controller, ob die Brennstoffzelle erfolgreich in Betrieb genommen wurde. Er kommuniziert mit dem Regler der Brennstoffzelle über das Modbus-Protokoll und eine RS485 Schnittstelle. Eine aktive Relaissteuerung sorgt dafür, dass der Strom der Brennstoffzelle ausschließlich für die aktuelle Last aufgewendet und Wasserstoff nicht zum Aufladen der Akkus verbraucht wird. Sobald die Akkus durch Solar- und Windenergie wieder aufgeladen sind, schließt der Controller das DC-Bus-Relais und beendet den Betrieb der Brennstoffzelle.
Zusätzlich stoppt der Regler die Windturbine mit einer integrierten Bremse, sobald er einen zu hohen Ladezustand erkennt. Mit Hilfe von Sensoren misst der Controller die Spannung des DC-Busses sowie verschiedene Stromstärken und Temperaturen.

Denken Sie über weitere energieautarke Mobilfunkmasten oder gar einen flächendeckenden Einsatz nach?

Ja, nach dem Pilotprojekt in Versmold sind weitere energieautarke Basisstationen an verschiedenen Standorten in Deutschland geplant. Begleitet von der Technischen Universität Clausthal möchten wir geografische und meteorologische Einflüsse testen, um die Basisstationen weiter zu optimieren.
Bei der Berechnung von Modell-Mobilfunknetzen sind die Aussichten eines flächendeckenden Einsatzes von energieautarken Mobilfunkmasten vielversprechend: Bei
einem Netz mit 20.000 Basisstationen könnte die jährliche CO2-Einsparung 157.600 t betragen. Das entspricht den durch Strom verursachten CO2-Emissionen einer Stadt der Größe Augsburgs.

Carola Tesche, ENERGIE&TECHNIK

Foto: © Nokia Siemens; Christoph Müller, Energy Solution Architect von Nokia Siemens Networks

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